神朔铁路机车同步操控LTE系统规划方案

马健康（中国神华神朔铁路分公司，陕西榆林 719316）

神朔铁路机车同步操控LTE系统规划方案

马健康
（中国神华神朔铁路分公司，陕西榆林 719316）

介绍机车同步操控技术的发展，分析神朔铁路机车同步操控技术的选择及LTE建设时机，提出神朔铁路LTE网络的规划方案。

神朔铁路；重载；同步操控；LTE

1 概述

神朔铁路作为“中国战略能源动脉”，与朔黄铁路一起组成我国“西煤东送”的第二大通道，承担神华煤炭、山西、陕西、内蒙等地方煤炭外运工作，其下游运输环节有北同蒲铁路（国铁）、朔黄铁路以及神华的两大港口（黄骅港和天津煤炭码头），其运输流向主要从神池经朔黄线至黄骅港，另一部分从神池南北上经北同蒲线至大秦线。近些年神朔铁路年运量均超过2亿t，目前正计划进行3亿t扩能改造。神朔铁路能够完成如此繁重的运输任务，完全取决于万吨重载列车的开行。近期，神朔铁路计划开行2万t货运重载列车，机车同步操控作为重载列车的最关键技术之一，将为列车的平稳运行和运输任务的完成起到决定性的作用。

2 机车同步操控技术的发展

1）400 MHz+400 kHz组合式无线列调电台对讲系统

神朔铁路目前采用400 MHz+400 kHz组合式无线列调电台对讲系统作为机车同步操控系统的语音通信系统。在主控机车和从控机车分别设置400 kHz+400 MHz组合电台，400 MHz电台和400 kHz感应电台同发、同收，共用一套音频终端设备。主控、从控机车400 MHz电台通过空间波直接通信，各组重联机车间的通话频点独立，共预置100个频点，频点范围为459.0～461.5 MHz，依据车号系统自动对通话频点进行动态设置。主控机车400 kHz电台机车天线将无线信号耦合到接触网，通过接触网将信号传送到从控机车，实现主从控机车之间的通信。该方式仅能提供话音通信，通过话音通信和人工操作控制启动、制动等，所以协调性、一致性并不理想。另外，400 kHz电台通话受神华号交流机车大电流的影响，使用效果非常差。

2）800 MHz数传电台系统

由800 MHz数传电台和地面中继设备组成。800 MHz数传电台安装在主控和从控机车上，地面中继设备由800 MHz同频直放站、馈线以及天线（或漏缆）等组成。

主控向从控发布信息，通过下面几种方式：

主控机车电台发出消息通过空间波直接到达从控。

当有多个从控机车时，主控机车电台通过从控机车逐个接力传至最后一个从控机车。

主控机车发送信息通过地面中继设备接收放大后转发至从控机车。

该方式在大秦线有过应用，但在地形地貌比较复杂的区域，如连续隧道和路堑区域，使用效果差。

3）GSM-R系统

基于GSM-R的机车同步操控系统，包括车载通信单元OCU、GSM-R网络、AN节点，系统组成如图1所示。AN通过数据会议功能定义好同一列车的主控和从控机车之间的通信编组。当主控机车向从控机车发送控车信息时，主控机车OCU首先通过GSM-R网络与AN建立通信链接，AN再通过GSM-R网络将信息发送给通信编组内指定的其他从控机车，反之原理类同。

目前，该方式在大秦铁路、云冈线、迁曹线、北同蒲线等重载铁路上广泛应用。

4）LTE系统

基于LTE宽带移动通信系统的机车同步操控系统由LTE网络（核心网和无线接入网）、无线重联应用服务器和无线重联车载终端组成，如图2所示。

其通信原理与基于GSM-R的机车同步操控系统类似，无线重联服务器对无线重联车载终端进行连接、编组控制，并完成同一编组内主控重联机车和从控重联机车之间点对多点的数据转发。主控机车往从控机车发送同步控制信息时，首先通过LTE网络发送至无线重联服务器，无线重联服务器判断编组控制信息，并通过LTE发送给组内的从控车；从控机车往主控机车发送信息时，原理相同。

3 神朔铁路机车同步操控技术的选择及建设时机

3.1 现有系统不能满足运输需要

现有400 MHz+400 kHz组合式无线列调电台对讲系统通过语音、纯人工操作方式难免有误差，系统可靠性和通信质量差。开行2万t列车，通信距离进一步加大，其可靠性和安全性将大大降低。因此，应当进行数字化处理，同步操控信息自动传送，消除隐患，保障行车安全。

3.2 800 MHz数传电台和GSM-R使用受限

800 MHz数传电台由于受星形地貌影响，可用性较差。GSM-R居于2G技术，和3G、4G相比技术明显落后，在2025年左右停止设备生产和服务，国家已经将LTE作为未来铁路无线通信的发展方向。3.3 LTE技术优势明显且应用广泛

1）LTE技术优势明显

LTE是基于OFDM/MIMO为核心的技术，是跨越3G被认为“准4G”技术，是全IP化的技术，具有高数据速率，适应高移动性、高QoS、高RAMS等特点，为车辆监测、列车控制、车载视频监控、旅客服务信息等大容量数据传输提供可能。

a.OFDM技术

OFDM是一种无线环境下的高速传输技术，是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输。尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽。OFDM技术的优点：可以消除或减小信号波形间的干扰，对多径衰落和多普勒频移不敏感，提高了频谱利用率，可实现低成本的单波段接收机。

b.MIMO技术

MIMO技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术，它采用分立式多天线，能够有效地将通信链路分解成许多并行的子信道，从而大大提高容量。信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大容量。在功率带宽受限的无线信道中，MIMO技术是实现高数据速率，提高系统容量、传输质量的空间分集技术。在铁路狭长的地带，利用该技术将加大基站站距，节约工程投资。

2）LTE技术应用广泛

目前，LTE技术在公众移动通信系统应用广泛，截止2015年底，全球已经建成442张LTE网络，拥有约9亿终端用户，LTE主要用户高速数据业务、语音业务多数采用回退到2G或者3G网络进行。

在城市轨道交通领域，目前深圳地铁11号线、乌鲁木齐地铁1号线、郑州地铁1号线、北京地铁燕房线等已经在建LTE宽带数据移动通信网络，而后续的规划线路基本采用LTE网络作为综合承载平台，用于承载地铁CBTC、PIS等车地宽带数据业务的传送。

在铁路行业内，2016年3月9日，朔黄铁路2万t重载列车正式开行，国内首次成功应用LTE系统搭载2万t列车，开创LTE承载重载运输的先河，为中国乃至全球铁路的LTE宽带无线市场起到极大的示范和引领作用。

3.4 国家技术政策支持且产品链丰富

TE-LTE为我国自主知识产权的技术，获得国家和相关部门的大力支持，在交通、能源、电力、民航、政务等领域均进行大规模的建设。特别是在公众移动通信网络的建设速度迅猛，因此，支持的厂家众多，包括中兴、华为、大唐、西门子、爱立信、阿尔卡特朗讯、高通等主流电信设备生产厂商均投入LTE产业，产业发展成熟、产品供应链丰富，导致LTE产品价格也在逐渐下降。

工信部已经批准中国神华使用1.8G频段10 MHz带宽（1 785～1 795 MHz）作为铁路专用无线通信频率，并允许在河北、山西、陕西、内蒙古4省使用，为神朔铁路建设LTE网络提供了政策支持。3.5 提高运输效率的需要

目前，神朔铁路列车行进至神池南编组站进行解体和重新编组，更换牵引机车后，主要分流至朔黄铁路（更换为带LTE通信设备的牵引机车）及部分分流至朔州方向，无法进行机车长交路运行，极大的影响运输效率。神朔铁路建成LTE宽带移动通信系统，统一无线通信制式，机车进行长交路运行方式，将极大的提高运输作业效率。

可见，LTE是神朔铁路最好的技术选择，当前就是最佳的建设时期。

4 LTE系统方案

4.1 系统组成

用于承载机车同步操控系统的LTE网络主要包括核心网、无线接入网、业务应用系统、运行与支撑系统。

1）核心网/EPC

核心网由移动管理实体（MME）、归属签约用户服务器（HSS）、服务网关（S-GW）、分组数据网网关（P-GW）、RADIUS及DNS等网元组成。负责与用户和会话有关的控制平面功能、用户面接入服务网关功能、用户签约信息管理功能、用户身份鉴权管理功能。

2）无线接入网E-UTRAU

无线接入网E-UTRAN由LTE基站（eNodeB）组成，eNodeB采用分布式基带处理单元（BBU）+射频拉远单元（RRU）的方式。负责空中接口相关的所有功能：

无线链路维护功能：保持与终端间的无线链路，同时负责无线链路数据和IP数据之间的协议转换；

无线资源管理功能：包括无线链路的建立和释放、无线资源的调度和分配等；

部分移动性管理功能：包括配置终端进行测量、评估终端无线链路质量、决策终端在小区间的切换等。

3）业务应用系统

业务应用系统主要包括机车无线重联信息传送系统、车地通用数据传送系统、列车调度集群语音系统。

a.重载无线重联信息传送系统

系统完成机车无线重联和可控列尾业务数据承载，主要由重载无线重联编组应用服务器、重载无线重联车载数据通信设备和可控列尾车载通信设备等构成。

b.车地通用数据传送系统

系统完成无线车次号校验、调度命令等车地通用数据业务数据承载，主要由接口服务器和列车调度通信机车台等构成。

c.列车调度集群语音系统

系统主要提供列车无线调度通信和其他铁路公务通信业务，主要由调度集群语音服务器、列车调度通信机车台、手持终端等构成。

d.运行与支撑系统

运行与支持系统是网络运行和业务支撑的综合管理平台，主要由网络管理和用户管理组成，负责提供网络管理、资源管理、用户管理、业务开通、业务保障等功能。

4.2 业务功能实现方式

LTE宽带移动通信系统主要承载业务如表1所示。

表1 LTE宽带移动通信系统主要承载业务分类

1）实时安全数据信息

实时安全数据信息通过重载无线重联信息传送系统进行传送，系统中无线重载应用服务器与LTE核心网互连，对无线重联车载终端进行连接控制、编组控制，并完成同一编组内主控重联机车和从控重联机车之间点对多点的数据转发。

主控机车往从控机车发送同步控制信息时，首先通过LTE网络发送至无线重联服务器，无线重联服务器通过判断编组控制信息，并通过LTE发送给组内的从控车。从控机车往主控机车发送信息时，原理相同。

业务功能实现原理如图3所示。

图3 重载无线重联信息传送系统

2）车地通用数据传送业务

调度员和车站值班员通过本地终端编辑调度命令、行车凭证、调车作业通知单等信息，通过CTC系统传送至LTE接口服务器，接口服务器通过LTE网络发送给对应的机车终端设备。

机车台通过LTE网络将车次号信息传送给LTE接口服务器，LTE转发给CTC。同时，CTC系统可以通过LTE接口服务器和LTE网络，查询指定列车的车次号信息。

图4 车地通用数据传送系统

图5 列车集群调度通信系统

业务功能实现原理（车地通用数据传送系统）如图4所示。

3）语音通信

采用固定用户交换机（FAS）系统组织调度通信系统，并设置集群调度通信服务器，通过集群调度服务器与FAS系统及PSTN互连，实现有线无线调度一体化，以及与铁路专用电话（PSTN）互连。

系统可提供各种具有调度通信特征的语音通信业务，包括个呼、组呼、多优先级呼叫和快捷呼叫，满足运营调度各子系统调度通信的需求，可实现固定用户与移动用户的统一呼叫。为铁路运输提供用于运营指挥、管理、维修等业务的专用电话系统，主要由调度电话，站场、站间行车电话等设备组成。

业务功能实现原理（列车集群调度通信系统）如图5所示。

4.3 组网方案

4.3.1 核心网

核心网采用双套冗余组网方式，两套核心网采用符合分担工作方式。在神木北设置EPC、RADIUS、DNS、集群服务器、路由器各2套，热备工作方式。并设置路由器、防火墙、交换机各2套，实现LTE核心网之间及与外部应用业务系统的安全防护和路由控制。

4.3.2 无线接入网

1）基站组网方案

LTE基站eNodeB采用分布式基带处理单元（BBU）+射频拉远单元（RRU）的方式。BBU至RRU采用光纤连接，每台RRU利用左右两侧光缆分别提供的2根光纤与所归属的BBU连接。

根据本线实时安全数据信息业务需求，EUTRAN需要考虑网络冗余覆盖。冗余覆盖组网方案在以下非连续点故障情况下，需保障实时安全数据信息正常传输：a.单个基站BBU故障；b.单个基站RRU故障。本工程采用同址双网的覆盖方式，既在同一站址设置两套独立基站，单个基站RRU或BBU故障情况下，业务不会中断，同时可共享通信铁塔、机房、电力、传输、通信电源等配套资源。为进一步提高系统安全性，A网和B网的BBU设置在不同位置。

核心网设置两套EPC，同一站址两套独立基站分别接入主备EPC，形成双层网络，两套EPC采用负荷分担方式工作。组网结构如图6所示。

图6 负荷分担方式LTE组网

神华集团可用频率资源为1 785～1 795 MHz，共10 M带宽，分为两个5 MHz频率，A网和B网分别使用1 785～1 790 MHz（F1）和1 790～1 795 MHz（F2）。A、B网无线覆盖范围基本相同，如图7所示。

将指定的终端业务分配到其中一个核心网。当其中一个核心网故障时，指定的终端业务转移到另外一个核心网。其中，每台机车两端无线重联终端及可控列尾的两个通信模块（简称A模块和B模块）分别驻留在A、B网。当A网基站故障时，A模块业务中断，机车靠B端无线重联终端提供业务，在下一个基站覆盖区域，A模块重新加入。B网基站故障亦然。

图7 频率规划和场强覆盖

CIR、手持台、视频等其他终端可优先驻留在A网或B网。如果当前驻留基站或切换目标基站故障，终端将重新进行网络选择，切换到另一个网络。

2）区间弱场解决方案

对长度较小的孤立短隧道，在隧道一端设同站址RRU，隧道内敷设1-5/8"型号漏缆进行覆盖。长隧道采用RRU加漏缆进行覆盖，BBU尽量安装在隧道进、出口和隧道内避车洞内。为得到更高的数据吞吐量，隧道内采用双漏缆设置，并利用LTE 的MIMO技术。

3）小区容量规划和业务承载方式

列车双向对开，按追踪间隔10 min、列车速度80 km/h计算，则单方向列车最小间隔距离为13 km。基站小区覆盖半径4 km计算，单个区间基站覆盖范围内同时有两列通过列车。各种终端用户的吞吐量需求如表2所示。

表2 终端用户数量及带宽需求表

为了提高业务传输的可靠性，对系统中实时安全的关键业务采用两层无线网络共同承载方式，而对非安全业务可以采用单层无线网络承载方式，具体如表3所示。

表3 业务采用网络承载方式表

4）业务应用系统

在神木北新设重联无线重联服务器（双套设置并含网络连接设备）、机车配置无线重联车载终端设备（双套设置）、可控列尾通信车载设备，实现机车无线重联和可控列尾信息等实时安全数据传送。

在神木北与EPC同址设置LTE接口服务器，机车配置调度通信机车台，用于车次号校核和调度命令等信息的传送。需配套进行信号侧CTC的改造。

5）运行与支撑系统

在神木北中心机房与EPC同址设置LTE网络管理系统设备，并在河东运输段和河西运输段分别设置网络管理复视终端，实现对LTE设备的维护和管理。

4 结束语

随着神朔铁路的3亿t扩能改造及2万t列车的开行，机车同步操控系统的重要性将进一步提升，采用技术的稳定性和可靠性是列车安全运行的根本保障。LTE技术优势明显，国家政策支持（已经批复了相关的频率资源），并在朔黄铁路已经成功应用，因此，神朔铁路建设LTE网络时机已经成熟。

The paper introduces the development of synchronous operation and control system of locomotives， analyzes the reasons of selecting the synchronous operation and control technology and LTE system for Shenshuo railway and puts forward a LET networking solution for Shenshuo railway.

Shenshuo railway； heavy haul； synchronous operation and control； LTE

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.05.010

（2016-06-30）